Volt

Volt(simbol: V) jemjerna jedinicaSI sustavaza električku razliku potencijala. Broj volti je mjera jakosti električnog izvora u smislu koliko je snage potrebno proizvesti za željenu jakost struje. Jedinica volt je ime dobila u častAlessandra Volte(1745–1827), koji je izumiogalvanski članak,prvu kemijsku bateriju.

Međunarodni znak zaopasnost od visokog napona

Definicija

Čip s poljem Josephsonovih spojeva razvijen naNISTkao standard za volt.

Volt se definira kaorazlika potencijalana krajevimavodičakadastrujaod jednogamperadisipirasnaguod jednogvata.Odnosnu, u SI sustavum²·kg·s^-3·A^-1,što se isto tako može zapisati i kaojoulenergijepokulonunaboja, J/C.

1 V = 1 W/A = 1 m²•kg•s^–3•A^–1

Od1990.Volt je međunarodno definiran, za praktična mjerenja, primjenomJosephsonovog efekta,gdje je uobičajena vrijednost uzeta kaoJosephsonova konstanta,definirana u 18-om stoljeću kao

K_{J-90}= 0.4835979 GHz/µV.

Objašnjenje

Razlikuelektričnog potencijalamožemo zamisliti kao sposobnost pomicanjaelektričnog nabojakrozotpor.U suštini, volt mjeri kolikokinetičke energijeposjeduje pojedinielektron.Broj elektrona se mjeri kao naboj, u kulonima. Stoga volt pomnožen s tokom struje, mjerna jedinicaamperšto je kulon po sekundi, daje ukupnuelektričnu snagustruje, u vatima. U vrijeme kad se u fizici riječ sila rabila dostaslobodno,razlika potencijala je nazvana kaoelektromotorna silailiems– pojam koji se i danas rabi u određenom kontekstu.

Razlika električnog potencijala (napon)

Između dviju točaka uelektričnom polju,poput onoga uelektričnom krugu,razlika potencijala jednaka je razlici njihovihelektričnih potencijala.Razlika je proporcionalna elektrostatskoj sili koja teži potiskivanjuelektrona,ili ostalih nosioca naboja, iz jedne točke u drugu. Razlika potencijala, električni potencijal i elektromotorna sila se mjere u voltima, vodeći obično prema nazivunaponi simboluV(ponekad se označava i s${\mathcal {E}}$).

Napon se može pribrajati na sljedeći način: napon izmeđuAiCjednak je sumi napona izmeđuAiBi izmeđuBiC.Dvije točke električnog kruga koje su spojene idealnim vodičem, vodičem bez otpora i bez prisutnosti promjenjivogmagnetskog polja,imaju razliku potencijala jednaku nuli. Međutim drugi parovi točaka mogu isto tako imati razliku potencijala jednaku nuli. Ako takve dvije točke povežemo vodičem kroz njega neće teći struja. Različite napone u strujnom krugu možemo izračunati primjenomKirchhoffovih zakona.

Napon je svojstvoelektričnog polja,a ne pojedninih elektrona. Elektron koji se giba kroz razliku napona doživljava povećanje energije, često mjereno uelektron voltima.Ovaj efekt analogan je padanju mase s određene visine ugravitacijskom polju.

Hidraulička analogija

Ako električni krug promatramo kaoanalognumrežu cijevi u kojima cirkulira voda koju pogone crpke u prostoru u kojem ne djelujegravitacija,tada razlika potencijala odgovara razlici tlakova tekućine između dviju točaka. Ako postoji razlika tlakova između dviju točaka, tada voda teče iz prve točke prema drugoj pri čemu može obavljatirad,kao na primjer pokretatiturbinu.

Ova hidraulička analogija je korisna metoda za poučavanje velikog broja električnih pojmova. U hidrauličkom sustavu, rad potreban za pokretanje vode jednak jetlakupomnoženom svolumenompomaknute vode. Slično, u električnom krugu, rad potreban za pomicanje elektrona ili ostalih nosioca naboja jednak je 'električnom tlaku' (stari izraz za napon) pomnoženom s količinom premještenog električnog naboja. Napon je pogodan način kvantificiranja sposobnosti obavljanja rada.

Tehnička definicija

Razlika električnog potencijala se definira kao iznosradapo naboju koji je potreban za pomicanjeelektričnog nabojaiz druge točke u prvu, ili ravnopravno, iznos rada koji jedinica naboja koja protječe iz prve točke prema drugoj može proizvesti. Razlika potencijala između dviju točaka a i b jelinijski integralelektričnog poljaE:

$V_{a}-V_{b}=\int _{a}^{b}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {l} =\int _{a}^{b}E\cos \phi dl.$

Korisne formule

Istosmjerni krugovi

$U={\sqrt {PR}}$

$U={\frac {P}{I}}$

$U=IR\!\$

Gdje je: U=napon, I=struja, R=otpor, P=snaga

Izmjenični krugovi

$U={\frac {P}{IZ\cos \theta }}$

$U={\frac {\sqrt {PZ}}{\sqrt {\cos \theta }}}\!\$

$U={\frac {\sqrt {PR}}{\cos \theta }}$

Gdje je: U=napon,I=struja,R=otpor,P=snaga,Z=impendancija,θ=fazni kut

Izmjenična pretvorba

$U_{avg}=.637U_{pk}\!\$

$U_{rms}=.707U_{pk}\!\$

$U_{ppk}=.354U_{rms}\!\$

$U_{avg}=3.142U_{ppk}\!\$

$U_{rms}=.9U_{avg}\!\$

$U_{pk}=.5U_{ppk}\!\$

Gdje je:
Upk = vršni napon (eng.peak voltage),
Uppk = napon od-vrha-do-vrha (eng.peak-to-peak voltage),
Uavg = srednji napon (eng.average voltage),
Urms = efektivni napon (eng.effective voltage)

Ukupan napon

Serijski spoj naponskih izvora:

$U_{T}=U_{1}+U_{2}+U_{3}+...\!\$

Paralelni spojnaponskih izvora:

$U_{T}=U_{1}=U_{2}=U_{3}=...\!\$

Padovi napona

Naotporniku(otpornik n):

$U_{n}=IR_{n}\!\$

Nakondenzatoru(kondenzator n):

$U_{n}=IX_{n}\!\$

Nazavojnici(zavojnica n):

$V_{n}=IX_{n}\!\$

Gdje je: U=napon, I=struja, R=otpor, X=reaktancija

Primjeri

Naponski izvori

Simboličko predstavljanje naponskog izvora.

Uobičajeni izvori EMS su:

• baterija
• dinamo(razlika potencijala se generira na krajevima električki vodljivog materijala koji se giba okomito na smjermagnetskog polja
• elektrostatska indukcija(kada se dva različita električki izolirajuća materijala međusobno trljaju stvara se elektrostatski izboj)
• kondenzator(u stvari element za pohranu energije proizvedene na nekom drugom izvoru)

Uobičajeni naponi

1.5 volt C-članak baterija

Nominalni naponi poznatih izvora:

• Radni potencijalneuronske stanice:40 milivolti
• Jedan članak, jednokratnebaterije(npr. AAA, AA, C i D članci): 1.5 volti
• Električni sustavautomobila:12 volti
• Domaćinstva: 120 voltiSjeverna Amerika,230 voltiEuropa^[1]
• Visokonaponskidalekovod:110 kilovolti i više (1150 kV je rekord iz 2005)
• Munja:100 megavolti

Mjerni instrumenti

Unimerkomplet za mjerenje napona.

Instrumenti za mjerenje razlike potencijala obuhvaćajuvoltmetar,potenciometar(kao mjerni sklop) iosciloskop.Voltmetar radi na principu mjerenja struje kroz stabilni otpornik, koja je premaOhmovom zakonu,proporcionalna razlici potencijala na krajevima otpornika. Potenciometar radi na principu uravnoteženja nepoznatog napona nasuprot poznatom naponu umosnom spoju.Katodni osciloskopradi na principu da pojačava razliku potencijala i rabi je za otklanjanje elektronskog snopa (elektronske zrake) iz ravne putanje, pa je tako nastali otklon proporcionalan razlici potencijala.

Povijest volta

Godine1800.,kao rezultat profesionalnog sukoba oko galvanske reakcije koju je zagovaraoLuigi Galvani,Alessandro Voltarazvija po njemu nazvanVoltin članak,preteču današnjih baterija, koje proizvode stabilnu električnu struju. Volta je utvrdio najdjelotvorniji par,cinkisrebro,raznovrsnih metala koji proizvode elektricitet. U 1880-oj je Međunarodna elektrotehnička komisija (engl.International Electrotechnical Commission)IEC,potvrdila volt kao jedinicu za mjerenje elektromotorne sile. Volt je definiran kao razlika potencijala na vodiču kada kroz njega protječe struja od jednog ampera pri čemu se disipira snaga od jednog vata.

Prije otkrićaJosephsonovog spojakao etalona volta, volt se čuvao u nacionalnim laboratorijima u specijalno konstruiranim baterijskim člancima zvanimastandardni članci.SAD su od 1905. do 1972. primjenjivaleWestonov članak.